氢山氯水----环保电解试验

氫山氯水環保電解實驗一、研究動機國中理化課程中，在學習以NACLAQ電解時，老師說電解濃NACLAQ時正極會產生CL2G，而電解稀NACLAQ卻不會產生CL2G，而是電解水產生的O2G。在好奇心的驅使下，便開始著手研究到底這”稀”與”濃”的界線是多少呢然而，大量的CL2G會造成實驗的危險與不便，於是，便想找出一種特殊的裝置，進行”微量”且”輕便”的創意環保電解。後來並以此主題榮獲參加國立科學教育館所主辦的中學生科學專題研究研習營，獲得教授的鼓勵與啟發後，便開始探討氯化物的電解實驗，漸漸克服裝置上種種疑難，完成此一裝置。二、研究目的一以環保電解裝置改良氯化物的電解實驗。二以環保電解裝置檢測氯化物產生CL2G的最低濃度。三、實驗器材及藥品1燒杯及定量瓶12空浣腸盒2量筒及攪拌棒13各式吸管3電源供應器14濾紙及石蕊試紙4調色盤15滴定管59V電池組16碼錶6鱷魚夾17玻璃管7鉑電極18NACLS8KI試紙19KIAQ9AB膠及相片膠20NA2S2O3S10電子天秤及秤量紙21H2SO4L11滴管大、小22去離子水四、文獻探討一電解水231電解水裝置，如圖一所示圖一純水之電解2電解水之反應機構1負極陰極還原反應由外加電源獲得電子半反應4HAQ4E2H2G12正極陽極氧化反應半反應4OHAQO2G2H2O4E23全反應係反應式12相加而成4HAQ4OHAQ2H2GO2G2H2O34淨反應式2H2O2H2GO2G4（二）電解食鹽水2341電解食鹽水，如圖二所示圖二食鹽水之電解2電解食鹽水之反應，在陰極由於H質量較NA為輕，其離子活動力遠大於NA，故在陰極仍與電解水一樣的產生氫氣。但是在陽極部份，由於CL濃度遠大放純水的OH濃度且質量僅相差約2倍，故陽極表面會產生氯氣。其電解反應如下1陰極反應2HAQ2NAAQ2EH2G2NAAQ52陽極反應2CLAQ2OHAQCL2G2OHAQ2E63全反應2HAQ2CLAQ2NAOHAQH2GCL2G2NAOHAQ74淨反應2HCLAQH2GCL2G8三電解食鹽水裝置231電解槽裝置文獻2中顯示電解槽幾乎為開放式，且體積較大，產生的氯氣及氫氣量過大，造成實驗上的危險性。2集氯氣裝置傳統上是於兩電極處取玻璃試管覆蓋，可觀察出其進氣量在液體之上方，雖能夠達到收集的目的，但後續微量分析較困難。本研究目的之一，即為創新設計簡易環保的集氣與分析裝置。3電極材料一般而言，凡具有導電性的材料均可採用，但為避免產生電鍍或其它旁支的化學反應，宜找具有良好催化作用且耐腐蝕的鉑金屬來做電極。另外，兩電極的材質最好是相同的，可避免造成不同的電位差，間接地，影響實驗的準確性。四電解產物分析1正極氯氣定性分析由於CL2G與IAQ的置換反應，可在瞬間產生，因此，可以藉由文獻5中利用澱粉當作指示劑，間接地來作電解食鹽水時正極是否產生CL2G的定性分析，其反應情形如式9CL2G2IAQ澱粉溶液2IAQI2S無色藍紫色92正極氯氣定量分析文獻5中亦提及碘的還原滴定法，可以於式9反應完成後以定濃度的硫代硫酸根離子S2O32來滴定出碘的濃度，相對地，亦即是氯氣的濃度了。其滴定反應式以及濃度計算公式，分別為式10及式11。2S2O32I2S澱粉溶液2IAQS4O6210藍紫色無色CS2O32VS2O32CI2VI211其中CS2O32，VI2為已知值，VS2O32為滴定體積，因此欲求得的I2S濃度，CI2可由式11改寫成式12求得。12IVSSCI2332當然地，滴定終點必須是由式10的溶液剛好由藍紫色變成無色穩定液時達成。間接地，正極產生的氯氧含量與式12之碘分子I2之含量是相等的。五、研究過程與方法一傳統簡易電解實驗裝置，空白及改良式試驗1開放式濾紙為鹽橋，空白實驗1參照目前高中教材所採用之簡易電解裝置，如圖三。2以調色盤為電解槽，在相鄰兩格顏料槽內置入8分滿的01M的NACLAQ。3剪長4CM，寬2CM的濾紙先行浸溼後做為鹽橋，並以PT為電極，在接近正極處放置KI試紙，於兩槽內各置入紅石蕊試紙一張。4以電源供應器提供9V的電源，開始電解反應。2開放式KI試紙為鹽橋，改良式I1實驗步驟與1相同，僅將鹽橋由濾紙更改為KI試紙，使其本身兼具氯氣指示劑及鹽橋作用，如圖四。3開放式濾紙為鹽橋，正極上串KI試紙，改良式1實驗步驗同1，僅改變KI試紙擺放位置，以濕KI試紙串上PT電極，如圖五。4半開放式用吸管集中CL2AQ，改良式1將KI試紙之中點穿透PT電極之正極處。2套入剪斷之吸管內並放入正極槽內開始電解，如圖六。5半開放式增加CL2AQ與KI試紙的接觸面積，改良式1用打洞機將KI試紙打成圓形紙片。2取5張紙片，在吸管上剪5個開口並放入紙片。3以PT電極穿透紙片，故入正極槽內開始電解，如圖七。6半開放式正極外部套上一由細粗之塑膠滴管，改良式1將塑膠滴管粗細交接處剪下，如圖八。2彎曲PT電極放入塑膠管內。3將KI試紙穿透PT電極置在塑膠管上方。4在塑膠管與液面的接縫處剪一小孔，利用電極與電解液的接觸，如圖九。5放入正極槽內開始電解。7半開放式正極外部套上一由粗細之塑膠滴管，改良式1實驗步驟同6，但將滴管方向正反顛倒，使口徑由粗細，希望使CL2G更集中，如圖十。8半開放式吸管上疊五層之KI試紙，改良式1將打洞之圖形小紙片穿透電極五張，並套入吸管內。2放入正極槽內，開始電解，如圖十一。9半開放式上疊KI試紙由5張10張，改良式1實驗步驟同8，但將KI試紙由5層加為10層，如圖十二。10密閉式以小滴管粗細交接處為電解漕，改良式1剪下小滴管之粗細交接的部分。2在其左右兩側插入PT電極，並置入電解液。3在細端上方放置沾濕的KI試紙。4利用9V電池與電池帽扣組，分在左右兩極來上鱷魚夾，開始電解。如圖十三。11密閉式以大滴管粗細交接處為電解槽，改良式1剪下大滴管之粗細交接的部份，如圖十四。2其餘步驟與10同，如圖十五。12密閉式以小滴管滴頭部份為電解槽，改良式1剪下小滴管之滴頭和一小斷細管身。2在滴頭兩側插入PT電極並向上固定。3置入電解液後，在上方置放沾濕的KI試紙，利用9V電池組，開始電解，如圖十六。13密閉式以大滴管滴頭部份為電解槽，改良1剪下大滴管之滴頭和一小斷管身。2其餘步驟與12同，如圖十七。14密閉式以空浣腸盒為電解槽，改良1以空浣腸盒為電解槽。2其餘步驟與12同，如圖十八。二以環保電解裝置檢測氯化物產生CL2G的最低濃度1電解NACLAQ產生的最低濃度定性實驗1配置各種濃度的NACLAQ。2在小滴頭電解槽內置入電解液，並在管口放置一張沾濕的濾紙。3通入9V之電流，開始電解。4觀察並記錄其KI試紙變色及電解現象。2定量實驗1不剪斷小滴管之滴頭，而將管子前端稍用火烤待他軟化時彎曲。2在滴管左右兩側插入電極，如同小滴管滴頭電解槽，但不在管口放置一張沾濕的試紙。3準備一個小玻璃瓶，在內裝入20ML配置好的02MKI及澱粉液數滴。4將小滴管套進瓶內，通入9V電流開始電解，如圖十九。5把電解後玻璃瓶之藍紫色液體,及小滴管內液倒入一小燒杯內。6以0001M的NA2S2O3AQ滴定，至藍紫色液體澄清透明為止。7記錄NA2S2O3AQ使用前後之刻度，並計算其用量。3電解時間與CL2G產量的關係1同2之實驗步驟，在玻璃管內再加入一滴01MH2SO4AQ。2通入電流，開始電姐解的同時按下碼錶計時。3取數組不同的電解時間，直到滴定後算出NA2S2O3AQ的用量趨於一致為止。4改用不同濃度之NACLAQ並比較其差異。六、實驗結果一傳統簡易電解實驗裝置，空白及改良式試驗1開放式濾紙為鹽橋，空白實驗1第3分鐘時，嗅到異味。2第4分鐘時，KI試紙變成藍紫色。3第5分鐘時，正極的紅石蕊試紙變為藍色。2開放式KI試紙為鹽橋，改良式1第25分鐘時，嗅到異味。2第3分鐘時，KI試紙變成藍紫色。3第38分鐘時，正極的紅石蕊試紙變為藍色。3開放式濾紙為鹽橋，正極上串KI試紙，改良式1反應時間又較2為少，第25分鐘時，嗅到異味，同時在KI試紙上出現藍紫色。2KI與電極接觸處有藍紫色產生。4半開放式用吸管集中CL2G，改良式1反應時間較短，但變色分佈不均。2KI與電極觸點有藍紫色產生。5半開放式增加CL2G與KI試紙的接觸面積，改良式1KI試紙變色順序為下上，邊緣中央。2反應時間頗長約34分鐘以上。6半開放式正極外部套上一由細粗之塑膠滴管，改良式COMMENT尖尖1頁151以15V電壓電解時，數分鐘後並無明顯反應。2但改以9V電解時，反應明顯，幾乎瞬間變色。7半開放式（正極外部套上一由粗細之塑膠滴管，改良式）1以15V及9V電解時，皆在數分鐘內便可使KI變色。2但其反應時間較6長。8半開放式吸管上疊五層之KI試紙，改良式1以15V電解時，反應時間不長，但其變色並非在中央沿層而上，而是如圖二十所示。2以9V電解時，反應速率快，且是幾乎瞬間變色。9半開放式上疊KI試紙由5張10張，改良式115V電解，反應時間過長。29V電解時，反應明顯，亦沿層而上。10密閉式以小滴管粗細交接處為電解槽，改良式1能夠靈敏地測出濃度甚低之NACLAQ的CL2G量。11密閉式以大滴管粗細交接處為電解槽，改良式1電解較大濃度之NACLAQ時，此裝置較10之反應速率快。2但靈敏度較10為差。12密閉式以小滴管滴頭部分為電解槽，改良式同1013密閉式以大滴管滴頭部分為電解槽，改良式同1114密閉式以大滴管粗細交接處為電解槽，改良式1反應時間長。2變色不明顯。二以環保電解裝置檢測氯化物產生CL2G的最低濃度1電解NACLAQ產生CL2G的最低濃度定性實驗。11MNACLAQ稀釋之NACLAQ濃度1M05M01M0001M00005M000005M00001M000005M反應發生有有有有有無有約15MIN無2在00005M000005M之間3在00001M000005M之間000075M無反應2定量實驗1電解1MNACL3分鐘，需要246ML的NA2S2O3AQ。2電解01MNACL3分鐘，需要19ML的NA2S2O3AQ。3電解001MNACL，發現有一現象將滴管內液體滴入玻璃瓶中，瓶內液體呈藍紫色；而將瓶內液體再將回滴管內混合後，溶液又變回無色透明。3電解時間CL2G產量的關係1不同濃度之NACLAQ的電解時間與NA2S2O3AQ用量的關係。時間MIN0005102030405060701001501MNACLAQ04612823424624825001MNACLAQ00366131924303233001MNACLAQ000501020303030303030001MNACLAQ0000000000101七、討論一傳統簡易電解實驗裝置，空白及改良式試驗1開放式濾紙為鹽橋，空白實驗1由電解開始進行後隔了一段時間才觀察到KI的變色，可知，此裝置不易發現是否已開始產生CL2G。2而待KI試紙變成可觀之的藍紫色時，往往已經產生了大量的CL2G而可嗅覺之，造成實驗安全性的不足。2開放式KI試紙為鹽橋，改良式1其效果較濾紙鹽橋好，明顯縮短了反應的時間。2可減少達到偵測目所需的CL2G反應生成量，略降低實驗危險性。3但實驗時間仍頗長。3開放式濾紙為鹽橋，正極上串KI試紙，改良式1KI與電極接觸處的藍紫色，因為KI被電解，亦會產生藍紫色，易造成誤判。2II22E造成I2與澱粉液成藍紫色4半開放式用吸管集中CL2G，改良式1利用吸管，的確可使CL2G稍為集中而減少反應時間。2但是由於吸管口粗，KI試紙面寬，使得變色區域不固定且不均勻。3KI與電極接解處仍有藍紫色，造成誤判。5半開放式增加CL2G與KI試紙的接觸面積，改良式1此裝置之空隙較少，故可減少CL2G的逸失。2但是CL2G卻不易透過KI試紙，故由下上要經過5層沾濕的試紙，的確耗時較長。6半開放式正極外部套上一由細粗之塑膠滴管，改良式1由於管口上方較粗而下方較細，需要一定量以上之CL2G；才能產生明顯的反應。2但若CL2G達一定量後，較大後KI的接觸面積便可以使反應速率增加。7半開放式正極外部套上一由細粗之塑膠滴管，改良式1由於管口上方較細而下方較粗，可使產生之CL2G,較為集中。2但若CL2G與KI試紙之接觸面積較小，反而使KI試紙明顯變色所需時間較長。8半開放式吸管上疊五層之KI試紙，改良式115V反應時，變色沿緣而上，可見CL2G並無法完全透過KI試紙，可能是CL2G產量不夠。2而以9V電解時，反應過快，無法控制時間，所以宜多加幾層KI試紙。9半開放式上疊KI試紙由5張10張，改良式1較8能控制時間變因，但相對反應時間變長。10密閉式以小滴管粗細交接處為電解槽，改良式1由粗細有利於CL2G的集中。2由於CL2G與KI試紙接觸面積小，需要較大量之CL2G，反應時間較長，且仍較半開放裝置快了許多。11密閉式以大滴管粗細交接處為電解槽，改良式1CL2G與KI試紙接觸面積大，若濃度大時，反應速率大。2相對的CL2G量小時便不易看出變化。12密閉式以小滴管滴頭部分為電解槽，改良式同1013密閉式以大滴管滴頭部分為電解槽，改良式同1114密閉式以空浣腸盒為電解槽，改良式1浣腸盒瓶身大，但管徑卻很細，使得正極所產生的CL2G易溶於水中稀釋掉，不易觀察到明顯的變色，而且反應時長。15綜合上述實驗其不同方式的優劣比較如下表所示開放式半開放式密閉式優點1可集中CL2，不產生過量CL2較安全。2反應時間較短。1微量電解，產生少量CL2安全性佳，具環保性。2反應靈敏且快速。3裝置輕巧，攜帶方便。缺點1不易發現是否己產生CL2。2待KI變色時,己產生過量CL2安全性不足。3電解液多,裝置複雜。4反應時間長。1電解液多，裝置複雜。大滴頭、小滴頭及空浣腸盒電解槽的比較。大滴頭小滴頭空浣腸優點反應明顯1靈敏度高2反應速率快缺點不夠靈敏1電解液多，產生CL2G過量。2反應慢且不明顯。基於上述比較，以下定性，定量實驗皆以小滴頭為電解槽。（二）以環保電解裝置檢測氯化物產生CL2G的最低濃度。電解NACLAQ產生CL2G的最低濃度1發現結果在104M時竟還可以產生CL2G而使KI試紙變藍。2但是其變色現像是出現在第15MIN時左右，時間似乎太長了，可能不是因為CL2G使KI變色，或許是因為其它的原因，值得後續實驗繼續研討。3於是，便做出一組電解去離子水的空白實驗，而在15MINS後竟也發現KI試紙變色可見是因為其它原因才使得KI試紙變色，而不是因為CL2G。2定量實驗1將滴管內液體滴入瓶中變色此一現象証明了2II22E表示滴管內有遇水溶解之CL2GCL証實CL2G確實有產生。2而瓶內液體和管內液體混和無色透明代表此時液體中已不存在I2。3I2有可能被還原成I，IO，或IO3，也有可能是滴管內的OH所造成的I2S2OHAQIOAQIAQH2O3IOAQ2IAQIO3AQ4因此，便試著在玻璃瓶內，除了20ML，02M的KI及澱粉液數滴之外，再加入一滴01M的H2SO4AQ，使得反應向左進行。5加入H2SO4AQ之後，此現像便不再發生。3電解時間與CL2G產量的關係1不同濃度之NACLAQ的電解時間與NA2S2O3用量的關係2由上圖可得知CL2G的產量在趨於平行X軸之線段之前，其產量與電解時間成正比。3而當其曲線趨於平行時，已達最大產量，表示此時正極已不再產生CL2G而是產生O2G。4濃度愈大，CL2G的產量愈多，反應速率愈快。5濃度在0001M10_3M時，發現幾乎沒有產生CL2G了，而在15MINS時產生了微量的I2，不過仍可觀察出其變色的變化，因此推斷0001M10_3M已經接近，而大約就是電解NACLAQ產生CL2G的最低濃度了。八、結論1傳統的簡易電解裝置是以開放式的調色盤來做，然而其裝置不僅在操作過程中有許多不便之處見討論1及討論15，更是有安全性不足的缺點，尤其在教學時眾多學生齊聚教室，產生大量的CL2G，不但危險度高，也造成了環境的污染於是，為了找出新的電解槽，開始由調色盤著手，漸次地以不同容器將CL2G集中，並且朝著微量的目標前進，而經由開放半開放密閉的探討後，終於找出既“微量”“輕巧”而又“靈敏度高”的電解槽並且進一步將其延伸改變為可做定量分析的實驗裝置。2根據定量實驗的結果，我們可以知道，電解NACLAQ產生氯氣的最低濃度